Пригадайте: з курсу біології роль жирів та ліпідів у живих організмах, зокрема в організмі людини.

Жири як естери

У 9 класі ви вже вивчали жири. Минулого року про жири ми говорили, що це сполуки, молекули яких складаються із залишків молекул багатоатомного спирту гліцеролу та вищих карбонових кислот. Тепер ви вже знаєте, що сполуки, утворені спиртом та кислотою,— це естери, а карбонові кислоти, що трапляються у складі жирів, називають жирними, отже

Жири — це естери гліцеролу і жирних кислот.

Загальна формула жиру:

де R₁, R₂, R₃ — вуглеводневі залишки у складі жирних кислот; залежно від жиру вони можуть бути однаковими, а можуть бути й різними.

Жирними є одноосновні нерозгалужені карбонові кислоти з числом атомів Карбону в молекулах від 4 до 24.

Серед жирних кислот у природних жирах найчастіше трапляються:

• насичені кислоти:

• ненасичені кислоти:

Скорочено формулу жиру можна записати так: C₃H₅O₃(RCO)₃.

Наприклад, гліцерол тристеарат — це жир, молекули якого складаються із залишку молекули гліцеролу і трьох залишків молекул стеаринової кислоти C₁₇H₃₅COOH. У стеаринової кислоти вуглеводневий залишок — це група атомів C₁₇H₃₅. Отже, у формулі гліцерол тристеарату R₁ = R₂ = R₃ = C₁₇H₃₅:

Для розрахунків і полегшення складання рівнянь реакцій можна скласти молекулярну формулу жиру, але в ній бажано окремо виділяти формулу залишку гліцеролу і залишків молекул жирних кислот. Наведений тристеарат матиме формулу C₃H₅O₃(C₁₇H₃₅CO)₃,

^аб° ^C57^H110^O6.

Склад жирів установили французькі вчені М. Шеврель і М. Берт-ло. 1811 року М. Шеврель визначив, що під час нагрівання жиру з водним розчином лугу утворюються гліцерол і карбонові кислоти. А 1854 року М. Бертло здійснив зворотну реакцію і синтезував жир нагріванням гліцеролу з карбоновими кислотами.

Фізичні властивості та класифікація жирів

Жири — безбарвні в’язкі рідини або тверді речовини, легші за воду (їхня густина 0,9-0,95 г/см³), нерозчинні у воді, але розчинні в багатьох органічних розчинниках.

Тверді жири:

• містять переважно залишки молекул насичених кислот;

• мають тваринне походження (виняток — кокосове та какао масло). Рідкі жири:

• містять переважно залишки молекул нена-сичених кислот;

• мають рослинне походження (виняток — риб’ячий жир).

Агрегатний стан жирів за звичайних умов залежить від їхнього складу (мал. 23.1). Чим більше залишків молекул насичених кислот у молекулі жиру, тим вища його температура плавлення. Жири, що за звичайних умов тверді, містять переважно залишки молекул насичених кислот (стеаринової чи пальмітинової): 45-70 % від усіх залишків залежно від походження жиру. До твердих жирів часто застосовують слово «масло», наприклад «вершкове масло». Тверді

Демонстраційний дослід: розчинність жирів у воді та органічних розчинниках

У три пробірки наливаємо по 2-3 мл таких речовин: у першу — води, у другу — етанолу, у третю — бензину (можна замінити гексаном, етилацетатом та толуеном). У кожну пробірку додаємо по 2-3 мл соняшникової олії. У перших двох пробірках рідини розшаровуються (мал. а). Струшуємо пробірки. Пробірка із сумішшю олії та води стає каламутною внаслідок утворення емульсії, але із часом емульсія розшаровується, і ми спостерігаємо два окремі шари: води та олії (мал. б). У другій пробірці також спостерігаємо два шари, але верхній має виразне забарвлення за рахунок часткового розчинення олії. У третій навіть без струшування спостерігаємо однорідну суміш (мал. а та б) внаслідок того, що органічні розчинники добре розчиняють жири.

жири — це жири тваринного походження (яловичий, баранячий, свинячий тощо), за винятком кокосового та какао масла.

У молекулах рідких жирів містяться переважно залишки молекул ненасичених кислот (олеїнової, лінолевої та ліноленової): 65-85 % залежно від походження. До рідких жирів частіше застосовують слово «олія». Рідкі жири — це жири рослинного походження (лляна, соняшникова, оливкова олії тощо), за винятком риб’ячого жиру.

Хімічні властивості жирів

З одного боку, жири є естерами, отже, для них мають бути характерними хімічні властивості естерів. З іншого боку, деякі жири містять залишки молекул ненасичених карбонових кислот, що зумовлює здатність жирів виявляти хімічні властивості ненасичених сполук.

1. Лужний гідроліз (омилення). Як і естери, жири під час кип’ятіння з лугами піддаються гідролізу, у результаті якого утворюються спирт (гліцерол) та солі жирних кислот:

У складі більшості жирів містяться залишки молекул жирних кислот із числом атомів Карбону більше 12, а солі таких кислот є милом. Саме тому гідроліз жирів, а також і естерів, у лужному середовищі називають омиленням. Цю властивість жирів використовують для виробництва мила.

2. Гідрування (гідрогенізація). Якщо у складі жиру містяться залишки молекул ненасичених кислот, то, як і всі ненасичені сполуки, вони вступають у реакції приєднання, зокрема приєднання водню (гідрування, або гідрогенізація жирів):

Оскільки залишки молекул нена-сичених кислот трапляються більше в рідких рослинних жирах, то під час гідрування з рідкого жиру добувають твердий. Цей процес використовують для добування комбінованих жирів і маргаринів з рідкої олії (мал. 23.2), а отримані жири називають гідроге-нізованими. Наявність залишків молекул ненасичених кислот в оліях і маслах за тривалого зберігання спричиняє їх прогіркнення: ненасичені сполуки окиснюються киснем повітря, утворюють щільну плівку і надають специфічного гіркого присмаку.

Демонстраційний дослід: доведення ненасиченого характеру рідких жирів

Характерною ознакою ненасичених сполук є здатність вступати в реакції приєднання. Жири, як і інші ненасичені сполуки, приєднують не тільки водень, але й галогени, що можна спостерігати, зокрема, під час знебарвлення бромної води:

У першу пробірку наливаємо рослинну олію (мал. а, ліворуч), а в другу — розтоплений свинячий смалець (мал. а, праворуч). До обох пробірок додаємо по 1 мл бромної води (розчин брому у воді). Бромна вода збирається унизу пробірки окремим шаром червоно-бурого кольору (мал. б). Обидві пробірки ретельно струшуємо і залишаємо на кілька хвилин. Через певний час уміст пробірок розшаровується, і добре видно, що в пробірці з олією забарвлення бромом майже зникло, а в пробірці зі смальцем майже не змінилося (мал. в).

Гідрогенізація в харчовій індустрії

Харчова промисловість використовує каталітичне гідрування для перетворення рідких рослинних олій на маргарин. Вивчіть етикетки маргарину, і ви побачите, що там зазначено «містять частково гідроге-нізовані рослинні олії». Такі продукти виготовляють тому, що гідрогенізовані рослинні жири мають більш тривалий термін зберігання та значно дешевші, ніж жири з натурального молока.

Потенційною проблемою використання каталітичного гідрування для одержання гідрогенізованих жирів є те, що каталізатори, які при цьому використовують, спричиняють ізомеризацію деяких подвійних зв'язків жирних кислот (деякі з них не поглинають водень і все одно лишаються). У більшості натуральних жирів подвійні зв'язки жирних кислот мають конфігурацію цис-. Каталізатори, використовувані для гідрування, перетворюють деякі з них на неприродну транс-конфігурацію. Вплив на здоров'я транс-жирних кислот остаточно не визначений, але експерименти свідчать, що вони підвищують рівень холестерину в крові, тобто збільшують ризик розвитку захворювань серцево-судинної системи.

Біологічне значення жирів

Кількість жиру в організмі залежить від режиму харчування і способу життя. Якщо з вуглеводами і жирами в організм надходить більше енергії, чим витрачається, надлишкові жири відкладаються в м’яких тканинах. У разі недостатнього харчування організм одержує енергію, окиснюючи жири, накопичені раніше.

Частка жирів становить у середньому 10-20 % від загальної маси тіла людини. Надлишкове вживання жирів може спричинити надмірну масу тіла. Для підлітків рекомендують уживати на добу близько 100-110 г жирів (для юнаків) та 70-80 г (для дівчат).

Жири — цінне джерело поліненасичених жирних кислот (із двома чи трьома кратними зв’язками в молекулах). Наш організм не синтезує такі кислоти (наприклад, лінолеву, ліноленову тощо), і тому ненасичені жири обов’язково мають бути в нашому раціоні. Поліненасичених жирних кислот багато в рослинних оліях, горіхах, рибі та яйцях.

Насичені жири синтезуються в клітинах нашого організму з інших речовин їжі, наприклад з вуглеводів. Саме тому насичені жири

в нашому раціоні мають бути в помірній кількості. Надлишок насичених жирів сприяє розвитку хвороб серцево-судинної системи.

Оптимальним є добовий раціон, що містить 20-30 % рослинних жирів та 70-80 % тваринних, причому 40 г з яких рекомендують уживати в натуральному вигляді (переважно вершкове масло), а інші — у складі страв.

Жири дуже енергоємні речовини, під час розщеплення жирів організмом виділяється набагато більше енергії, ніж від розщеплення такої самої маси білків чи вуглеводів. Під час окиснення 1 г жиру виділяється 39 кДж (9,3 ккал) енергії.

Жири розчиняють деякі вітаміни: А, D, Е тощо. Тому, вживаючи в їжу жири, ми отримуємо необхідні нам вітаміни. Але зверніть увагу, що під час термічної обробки жирів значна кількість вітамінів руйнується.

Ключова ідея

Властивості жирів яскраво ілюструють залежність властивостей речовин від їхньої будови. Хоча за зовнішніми ознаками, поширеністю та біологічним значенням жири значно відрізняються від низькомолекулярних есте-рів, утім за хімічними й фізичними властивостями виявляють такі самі закономірності, що й усі естери.

Контрольні запитання

359. Які речовини відносять до жирів? Які спільні властивості в естерів та жирів, а в чому полягають відмінності?

360. У чому полягає хімічна різниця між поняттями «олія» та «жир»?

361. Що таке жирні кислоти? Які жирні кислоти вам відомі? Як впливає склад молекул жирів на їхні фізичні властивості?

362. Поясніть, з якою метою здійснюють гідрування жирів у промислових масштабах.

363. Наведіть приклади різних галузей застосування жирів.

364. Які особливі властивості жирів дозволяють їм виконувати ті функції в організмах, що описані в параграфі?

365. Запишіть рівняння реакції омилення гліцерол тристеарату розчином натрій гідроксиду. Назвіть продукти реакції.

Завдання для засвоєння матеріалу

366. Складіть структурні формули жирів, у складі яких містяться по три залишки молекул кислот: а) пальмітинової; б) масляної; в) стеаринової; г) олеїнової.

367. Складіть структурну формулу трилінолеату — жиру, утвореного ліно-левою кислотою. Складіть рівняння його повного гідрування.

368. Коли дієтологи говорять про жири, то часто використовують терміни «омега-9», «омега-6» чи «омега-3 ненасичені жири». Які жири та які особливості будови їх молекул позначають цими термінами? Для відповіді на запитання в структурних формулах ненасичених жирних кислот пронумеруйте атоми Карбону в ланцюзі.

369. Складіть дві можливі формули жирів, молекули яких містять по 57 атомів Карбону та два подвійні зв'язки.

Комплексні завдання

370. Обчисліть масову частку Карбону в тристеараті.

371. Обчисліть масу гліцеролу, що утворюється під час омилення триолеї-нового жиру масою 335,92 г.

372. Обчисліть масу натрій стеарату, що утворюється під час лужного гідролізу гліцерол тристеарату масою 1780 г.

373. Обчисліть масу тристеаринового жиру, що необхідно піддати омиленню для одержання калій стеарату масою 772,8 кг.

374. Обчисліть об'єм водню (н. у.), необхідного для гідрування жиру масою 8,7516 кг, у молекулах якого містяться по одному залишку молекул пальмітинової і по два залишки молекул олеїнової кислот.

375. Ферменти нашого організму розщеплюють ланцюг стеаринової кислоти на фрагменти по два атоми Карбону і перетворюють їх на молекули оцтової кислоти. Складіть схему цього процесу. Обчисліть масу оцтової кислоти, що виробляється нашим організмом з 0,1 г тристеа-ринового жиру.

376. Суміш триолеату і тристеарату, в якій кількість речовини обох жирів однакова, піддали лужному гідролізу. Отриману суміш продуктів реакції піддали зворотній реакції естерифікації. Зобразіть структурні формули жирів, що при цьому могли утворитися. Визначте серед отриманих жирів ті, що мають однакову молекулярну масу.

377. Жир масою 88,6 г, молекула якого має залишки молекул і олеїнової, і стеаринової кислот, під час бромування збільшує свою масу на 32 г. Визначте, скільки залишків стеаринової кислоти в молекулі жиру. Обчисліть, який об'єм водню (н. у.) витратиться на реакцію з тією самою кількістю жиру.

378. Жир, у молекулах якого містяться залишки молекул тільки однієї жирної кислоти, масою 40,3 г піддали омиленню. Під час реакції витратився натрій гідроксид масою 6 г. Визначте, залишки якої кислоти містилися у складі жиру.

Завдання з розвитку критичного мислення

379. У який спосіб можна стабілізувати емульсію олії у воді? Наведіть приклади таких емульсій з власного досвіду.

Міні-проекти

380. Які жири і в якій кількості є корисними для людини з точки зору біологічної цінності? Вживання в їжу яких жирів треба обмежити? Запропонуйте дієту з раціональним уживанням жирів, у якій зазначте добову норму вживання відповідних продуктів.

381. Дослідіть наявність жирів у різних доступних вам продуктах. Якщо на аркуш паперу покласти шматочок вершкового масла й розтерти його, залишиться характерна жирна пляма, яка не висихає. Так само можна перевірити, чи є жири в інших харчових продуктах, зокрема волоському горісі й насінні. Для цього слід розчавити ядро горіха або насіння без шкірки на аркуші паперу. Складіть самостійно перелік продуктів, що ви можете перевірити на вміст жирів, та проведіть дослідження.

 

 

Це матеріал з підручника Хімія 10 клас Григорович